Как подобрать буровой шнек под грунт, диаметр и глубину скважины

Буровой шнек – это винтовой рабочий инструмент, который одновременно разрушает грунт забурником и выносит выбуренную породу на поверхность по спиральным виткам. От правильного подбора шнека зависят производительность бурения, износостойкость инструмента и безопасность установки. Универсального шнека для всех условий не существует, так как для каждой скважины требуется свое решение.

Геология: что бурить и в чем

Грунт – первый критерий при разработке. Именно он определяет тип режущей части, шаг витка, материал реборды и конструкцию забурника. Шнековое бурение применяется в породах I-V категории по буримости: от торфа и песка до галечных и щебнистых включений.

Классификация грунтов и рекомендации по шнеку:

Грунт	Категория	Особенности бурения	Рекомендации
Торф, растительный слой	I	Низкое сопротивление, рыхлая структура	Стандартный однозаходный шнек, шаг витка 0,8-1,0 D
Песок, супесь	I-II	Сыпучесть, риск осыпания стенок	Одно- или двухзаходный шнек, прямой забурник, шаг 0,8-1,0 D
Суглинок, мягкая глина	II-III	Налипание на металл, рост сопротивления	Усиленный шнек, наклонные резцы, шаг 0,6-0,8 D, зазор для очистки
Плотная глина, твердый суглинок	III-IV	Высокое сопротивление, налипание	Усиленная конструкция, двухзаходная спираль, прочная режущая часть
Гравий, щебень, галька	IV-V	Абразивный износ, каменистые включения	Скальный шнек, твердосплавные резцы, пилотное долото, шаг 0,6-0,8 D
Мерзлый грунт	III-IV (мерзл.)	Высокая прочность, абразивность	Твердосплавные резцы ВК8, усиленный вал, шаг 0,5-0,7 D
Скала слабая	V	Требует мощной установки	Шарошечные забурники, усиленная конструкция, шаг 0,5 D

Шаг витка зависит от грунта. В глинистых породах рекомендуют шаг спирали 0,45-0,5 наружного диаметра шнека, в мягких и влажных – 0,5-0,7, в плотных и сухих – 0,8-1,0. Меньший шаг дает больше усилия выноса на плотном грунте, больший – выше производительность на сыпучем материале.

На производстве БИиТ для реборды используют сталь Ст.3, 09Г2С или износостойкую Hardox. Выбор зависит от абразивности грунта и интенсивности работ. Для абразивных пород (щебень или гравий) износостойкая сталь обязательна: незащищенная спираль на абразиве быстро теряет толщину, и диаметр скважины «уплывает».

Диаметр и глубина скважины

Диаметр шнека задается по проектному сечению скважины. Ориентировочные диапазоны применения:

• 100-300 мм – садовые и заборные ямы, скважины под опоры ЛЭП и ограждения;
• 300-600 мм – сваи и столбы, стандартные фундаментные работы;
• 600-1500 мм – буронабивные сваи и специальные фундаменты;
• до 2500 мм – сваебойные установки и крупные промышленные объекты.

Диаметр шнеков на производстве БИиТ составляет от 76 мм до 1450 мм в зависимости от типа буровой установки и задачи. Для УКБ 12/25 и аналогичных установок диапазон диаметров будет 200-1450 мм.

Важно! Диаметр шнека должен быть сопоставим с мощностью привода. Чем больше диаметр и плотнее грунт, тем выше требуемый крутящий момент. Брать шнек «с запасом» на слабом вращателе – распространенная ошибка, так как момента не хватает, шнек встает, и привод перегревается.

Глубина шнекового бурения составляет до 20-60 метров. Колонну собирают из секций длиной 1-3 м (реже до 6-10 м) и соединяют замковыми муфтами. Длина единичной секции определяется высотой мачты установки и транспортными габаритами. На установках типа УКБ 12/25 типовая длина секции составляет 1,5-3 м. Наращивание колонны выполняется по мере проходки. Каждое соединение – потенциальная точка биения, поэтому соосность замков (геометрическое соответствие рабочих элементов относительно друг друга и относительно дверного полотна или коробки) критична. Колонне глубже 2 диаметров требуется периодическая чистка скважины подъемами каждые 1-1,5 м, иначе вынос породы ухудшается.

Проходные (полые) шнеки для технологии CFA бурят на всю глубину сваи без извлечения, после чего бетон закачивается через полый ствол при подъеме. Это решает проблему осыпания стенок в водонасыщенных песках и плывунах.

Параметры вращателя

Вращатель – это редуктор, передающий вращение бурильной колонне. Три параметра нужно рассматривать совместно: крутящий момент, частота вращения и усилие подачи. Первый параметр является главным при подборе шнека. Он определяет, какой диаметр, и в каком грунте потянет установка. Соотношения следующие:

• 2-3 кН*м – до 350 мм;
• 6-8 кН*м – до 500 мм;
• 12-20 кН*м – до 800 мм;
• 20-24 кН*м – до 1200 мм;
• свыше 24 кН*м – до 1450+ мм.

Универсальной формулы «диаметр X требует момента Y» не существует, так как значение зависит от типа грунта, глубины, конструкции колонны и режима бурения. При заказе шнека у производителя нужно указать крутящий момент вращателя, чтобы конструкторы правильно подобрали толщину реборды, диаметр несущей трубы и тип замкового соединения.

Оптимальная частота вращения шнекового инструмента – 1,5-2,2 об/с (90-130 об/мин) для диаметров 76-380 мм. Для крупных шнеков 700-1300 мм параметр составит 0,3-0,6 об/с (18-36 об/мин). При забуривании обороты снижают до 0,8-1,1 об/с. Нельзя компенсировать сопротивление в глине повышением оборотов. Это приводит к ускоренному износу, налипанию породы и перегрузке гидросистемы.

Осевое давление на инструмент должно быть достаточным для внедрения забурника, но не чрезмерным, иначе витки деформируются, а колонна заклинивает. Усилие подачи и крутящий момент нельзя компенсировать друг другом. Недостаток момента не покроется большим усилием подачи.

Тип выходного соединения вращателя определяет тип замка шнека:

• трехгранник;
• квадрат;
• шестигранник;
• восьмигранник;
• шпоночное соединение;
• резьбовое соединение.

Если тип соединения шнека не совпадает со шпинделем станка, применяются переводники.

Конструкция витка и типы шнеков

На производстве БИиТ шнеки делятся на две базовые конструкции:

• ШБ – непроходные (стандартные). Несущая труба сплошная. Шнеки передают высокий момент, они жесткие и надежные. Применяются для разведочных, добывающих и технических скважин, бурения под шпунт и сваи;
• ШБП – проходные (полые). Труба с проходным отверстием. Такие конструкции используют для бурения скважин на воду с продувкой, отбора проб грунта, закладки сейсмических зарядов и закачки бетона под сваи (технология CFA).

Геометрия спирали следующая:

• шаг витка – расстояние между соседними витками по оси (обычно 0,5-1,0 от наружного диаметра);
• толщина реборды – на БИиТ варьируется от 10 до 30 мм в зависимости от диаметра и нагрузок. Для шнеков диаметром менее 250 мм реборда сплошная, 250 мм и выше – навита из отдельных сегментов, сваренных на стыках;
• число заходов – шнеки до 250 мм обычно однозаходные, большего диаметра – одно- или двухзаходные. Двухзаходная спираль эффективнее выносит породу при больших диаметрах и в неоднородных грунтах.

В качестве несущей трубы берется бесшовное изделие из стали 20. Диаметр составляет от 89 до 273 мм, толщина стенки от 5 до 36 мм. Выбор диаметра и толщины стенки зависит от крутящего момента, глубины бурения и диаметра шнека.

Шнек работает в паре с породоразрушающим инструментом:

• лопастные долота – для мягких и рыхлых пород (I-III категории);
• забурники со сменными резцами – для скважин от 250 мм в твердых грунтах;
• твердосплавные зубья (ВК8) – для мерзлых грунтов и гравия;
• шарошечные долота – для скальных пород.

Наконечники изготавливаются из стали 35, 30ХГСА (беспроходные) или 40Х (резьбовые).

Типичные ошибки при подборе

• Самая распространенная ошибка – выбирать шнек только по диаметру скважины, игнорируя тип породы. На плотном слое шнек с большим шагом витка буксует и перегревает привод.
• Незащищенная спираль на абразивном грунте (щебень, гравий) быстро изнашивается, диаметр скважины уходит от проектного. Износостойкая сталь Hardox окупается на интенсивных объектах.
• Несоосность замковых соединений дает биение, вибрацию и обрыв вала. При заказе у производителя соосность хвостовика и муфты контролируется с минимальным отклонением.
• Если момент установки не соответствует диаметру шнека и плотности грунта, бурение останавливается, гидросистема перегревается. Диаметр нужно подбирать строго по паспорту вращателя.
• При глубине более 2 диаметров колонны вынос породы ухудшается. Нужна периодическая чистка скважины подъемами каждые 1-1,5 м. Бурение глубоких скважин в одну проходку невозможно.

Чек-лист

1. Определить геологию: тип грунта, категория по буримости, наличие включений и влажность.
2. Задать диаметр скважины по проекту с учетом допуска на обсадку.
3. Определить длину секций и количество наращиваний, чтобы задать глубину.
4. Проверить крутящий момент, диапазон оборотов и усилие подачи вращателя.
5. Выбрать тип шнека (проходной или непроходной) и число заходов.
6. Подобрать шаг и толщину витка по грунту и диаметру.
7. Выбрать материал реборды (Ст.3, 09Г2С или Hardox).
8. Определить тип замка по ответной части вращателя.
9. Подобрать забурник по категории грунта.
10. Согласовать параметры с производителем и передать техническое задание.

Как оформить заявку

Чтобы заказать буровой шнек на производстве БИиТ, пришлите все его параметры нам на почту order@bi-it.ru.

Если чертежа нет, наш конструкторский отдел разработает документацию с нуля по исходным данным. Также возможно изготовление по образцу или техническим эскизам.